FR3116126A1 - LIDAR SYSTEM FOR DIFFENTIAL ABSORPTION AND BACKGROUND DISTANCE MEASUREMENTS - Google Patents
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Abstract
Un système LIDAR est adapté pour effectuer des mesures d’absorption différentielle d’un composé chimique entre deux fréquences optiques (ν1, ν2) distinctes, et mesurer une distance d’éloignement d’un obstacle qui est présent en arrière-plan d’une zone de mesure où se produit l’absorption. Une valeur de puissance optique d’émission est variée entre des intervalles de temps différents au cours d’une séquence d’émission de rayonnement, afin de permettre une réalisation du système LIDAR par une technologie de fibres optiques, tout en ayant une puissance d’émission suffisante. Le système LIDAR permet d’évaluer une quantité du composé chimique qui est contenue dans la zone de mesure, ainsi qu’une distance d’éloignement d’un obstacle qui est situé en arrière-plan de ladite zone de mesure.Figure d’abrégé : Figure 1A LIDAR system is suitable for performing differential absorption measurements of a chemical compound between two distinct optical frequencies (ν1, ν2), and measuring a distance away from an obstacle which is present in the background of a measurement zone where absorption occurs. A transmit optical power value is varied between different time intervals during a radiation transmit sequence, to enable realization of the LIDAR system by fiber optic technology, while having a power of sufficient emission. The LIDAR system makes it possible to evaluate a quantity of the chemical compound which is contained in the measurement zone, as well as a distance away from an obstacle which is located in the background of said measurement zone. : Figure 1
Description
La présente description concerne un système LIDAR qui est adapté pour effectuer des mesures d’absorption différentielle et de distance d’arrière-plan. Elle concerne aussi un procédé de mesure d’une quantité d’un composé chimique, qui utilise un tel système.This description relates to a LIDAR system that is suitable for performing differential absorption and background distance measurements. It also relates to a method for measuring a quantity of a chemical compound, which uses such a system.
Il est connu d’utiliser des mesures d’absorption différentielle pour évaluer la quantité d’un composé chimique qui est contenue dans une zone de mesure. Pour cela, l’absorption d’un rayonnement qui est émis en direction de la zone de mesure est mesurée pour une première fréquence du rayonnement qui ne correspond pas à une bande d’absorption du composé chimique, et aussi pour une seconde fréquence du rayonnement qui correspond quant à elle à une bande d’absorption du composé chimique. Il est donc nécessaire d’émettre du rayonnement aux deux fréquences en direction de la zone de mesure, et de comparer les niveaux d’absorption qui sont mesurés pour chacune d’elles. Une telle méthode de mesure est couramment désignée par IPDA, pour «Integrated Path Differential-Absorption» en anglais, ou absorption différentielle intégrée sur un trajet. Elle nécessite de connaître en outre la profondeur de la zone de mesure, telle que, par exemple, la distance à laquelle se trouve un obstacle qui est présent en arrière-plan de cette zone de mesure.It is known to use differential absorption measurements to evaluate the quantity of a chemical compound which is contained in a measurement zone. For this, the absorption of radiation which is emitted in the direction of the measurement zone is measured for a first frequency of the radiation which does not correspond to an absorption band of the chemical compound, and also for a second frequency of the radiation which corresponds to an absorption band of the chemical compound. It is therefore necessary to emit radiation at both frequencies in the direction of the measurement area, and to compare the absorption levels that are measured for each of them. Such a measurement method is commonly referred to as IPDA, for “Integrated Path Differential-Absorption” in English, or integrated differential absorption on a path. It also requires knowing the depth of the measurement zone, such as, for example, the distance at which there is an obstacle which is present in the background of this measurement zone.
La réalisation de telles mesures IPDA en utilisant un système LIDAR est avantageuse, notamment à cause de la sensibilité de détection et de la capacité d’analyse des signaux de détection que procure un système de ce type. C’est alors un enjeu important de pouvoir utiliser des systèmes LIDAR qui sont réalisés à base de fibres optiques, du fait de l’encombrement et du poids réduits de tels systèmes, de leur meilleur rendement énergétique, et de leur robustesse par rapport à des risques de perte d’alignement entre les composants optiques qui les composent.Performing such IPDA measurements using a LIDAR system is advantageous, in particular because of the detection sensitivity and the ability to analyze the detection signals provided by a system of this type. It is then an important issue to be able to use LIDAR systems which are made from optical fibers, because of the reduced size and weight of such systems, their better energy efficiency, and their robustness with respect to risks of loss of alignment between the optical components that make them up.
Néanmoins, les mesures IPDA nécessitent de satisfaire les exigences suivantes :
- au moins deux rayonnements doivent pouvoir être émis avec des valeurs différentes de fréquence optique, suffisamment rapidement l’un après l’autre par rapport à des variations qui peuvent affecter le contenu de la zone de mesure. Plus précisément, des impulsions des deux rayonnements doivent être émises avec une fréquence de répétition qui est suffisamment élevée par rapport aux variations du contenu de la zone de mesure, et pour permettre l’analyse des signaux de détection, par exemple avec une fréquence de répétition qui est supérieure à 1 kHz (kilohertz) ;
- les deux rayonnements, celui en dehors des bandes d’absorption du composé chimique objet de la mesure, et celui qui correspond à l’une de ses bandes d’absorption, doivent être émis avec des énergies respectives suffisantes ;
- celui des rayonnements qui correspond à l’une des bandes d’absorption du composé chimique doit présenter une finesse spectrale suffisante, afin de fournir une précision suffisante lors de la détermination de l’absorption par le composé chimique. En particulier, il peut être nécessaire que cette largeur spectrale du rayonnement qui correspond à une des bandes d’absorption du composé chimique soit inférieure à 100 MHz (mégahertz), lorsque la longueur d’onde centrale de ce rayonnement est de l’ordre de 1,6 µm (micromètre) ; et
- la mesure de distance d’éloignement pour obstacle d’arrière-plan, par caractérisation du temps de vol, nécessite d’utiliser des impulsions de rayonnement qui soient assez courtes, typiquement avec des durées individuelles qui sont inférieures à environ 100 ns (nanoseconde).However, IPDA measurements require the following requirements to be met:
- at least two rays must be able to be emitted with different values of optical frequency, sufficiently quickly one after the other with respect to variations which may affect the content of the measurement zone. More precisely, pulses of the two radiations must be emitted with a repetition frequency which is sufficiently high with respect to the variations of the content of the measurement zone, and to allow the analysis of the detection signals, for example with a repetition frequency which is greater than 1 kHz (kilohertz);
- the two radiations, that outside the absorption bands of the chemical compound object of the measurement, and that which corresponds to one of its absorption bands, must be emitted with sufficient respective energies;
- that of the radiation which corresponds to one of the absorption bands of the chemical compound must have sufficient spectral fineness, in order to provide sufficient precision when determining the absorption by the chemical compound. In particular, it may be necessary for this spectral width of the radiation which corresponds to one of the absorption bands of the chemical compound to be less than 100 MHz (megahertz), when the central wavelength of this radiation is of the order of 1.6 µm (micrometer); And
- distance distance measurement for background obstacle, by characterization of the time of flight, requires the use of radiation pulses which are quite short, typically with individual durations which are less than about 100 ns (nanosecond ).
Mais le phénomène bien connu de la diffusion Brillouin stimulée qui se produit dans les fibres optiques, limite la puissance-crête des impulsions de rayonnement qui peuvent être émises par les systèmes LIDAR réalisés à base de fibres optiques. Il en résulte une limitation sur la distance maximale de portée de ces systèmes LIDAR à fibres optiques.But the well-known phenomenon of stimulated Brillouin scattering that occurs in optical fibers limits the peak power of the radiation pulses that can be emitted by LIDAR systems made from optical fibers. This results in a limitation on the maximum reach distance of these fiber optic LIDAR systems.
Problème techniqueTechnical problem
Compte tenu de ces contraintes, un but de la présente invention est de proposer un nouveau système LIDAR qui permette à la fois d’effectuer des mesures IPDA et de déterminer la distance d’éloignement d’un obstacle qui est présent en arrière-plan de la zone de mesure, et qui puisse être réalisé à base de fibres optiques.Given these constraints, an object of the present invention is to propose a new LIDAR system which allows both to perform IPDA measurements and to determine the distance away from an obstacle which is present in the background of the measurement zone, and which can be made using optical fibres.
Plus particulièrement, l’invention a pour but de proposer un tel système LIDAR qui est réalisé en utilisant au moins une fibre optique pour transmettre les rayonnements émis, mais pour lequel la limitation en puissance-crête qui est provoquée par la diffusion Brillouin stimulée est repoussée ou évitée.More particularly, the object of the invention is to propose such a LIDAR system which is produced by using at least one optical fiber to transmit the radiation emitted, but for which the power-peak limitation which is caused by the stimulated Brillouin scattering is pushed back. or avoided.
Pour atteindre ce but ou un autre, un premier aspect de l’invention propose un système LIDAR qui est adapté pour effectuer des mesures d’absorption différentielle entre deux fréquences optiques distinctes, et des mesures de distance d’éloignement d’un obstacle qui est présent en arrière-plan d’une zone de mesure où se produit l’absorption. Ce système LIDAR de l’invention comprend :
- un ensemble source laser, qui est capable de produire des rayonnements à l’une et à l’autre des deux fréquences optiques ;
- des moyens de modulation d’intensité, qui sont adaptés pour appliquer à chaque rayonnement une forme d’enveloppe d’impulsion, y compris une durée d’impulsion et une valeur de puissance optique d’impulsion ; et
- un contrôleur d’émission, qui est adapté pour commander les moyens de modulation d’intensité.To achieve this goal or another, a first aspect of the invention proposes a LIDAR system which is adapted to carry out measurements of differential absorption between two distinct optical frequencies, and measurements of distance away from an obstacle which is present in the background of a measurement area where absorption occurs. This LIDAR system of the invention comprises:
- A laser source assembly, which is capable of producing radiation at either of the two optical frequencies;
- intensity modulation means, which are adapted to apply to each radiation a form of pulse envelope, including a pulse duration and a pulse optical power value; And
- a transmission controller, which is suitable for controlling the intensity modulation means.
Dans le cadre de l’invention, on entend par puissance optique d’impulsion une valeur qui caractérise l’intensité de chaque impulsion, cette valeur pouvant correspondre à une puissance-crête de l’impulsion, ou une puissance moyenne qui est évaluée sur toute la durée de l’impulsion, étant entendu que la valeur de puissance-crête et la valeur de puissance moyenne sont croissantes l’une en fonction de l’autre à durée et forme d’impulsion constantes.In the context of the invention, by pulse optical power is meant a value which characterizes the intensity of each pulse, this value being able to correspond to a peak power of the pulse, or an average power which is evaluated over all the duration of the pulse, it being understood that the peak power value and the average power value increase as a function of the other at constant duration and shape of the pulse.
Selon l’invention, le système LIDAR est adapté de sorte que, lors d’un fonctionnement de ce système LIDAR, il émette dans une direction-cible selon laquelle une mesure d’absorption différentielle et une mesure de la distance d’éloignement de l’obstacle d’arrière-plan sont à réaliser, une séquence d’émission de rayonnement qui comprend :
- des premiers intervalles de temps pendant lesquels l’émission de rayonnement est située spectralement à une première des deux fréquences optiques, avec une première largeur spectrale, une première durée d’impulsion et une première valeur de puissance optique d’impulsion ; et
- des seconds intervalles de temps pendant lesquels l’émission de rayonnement est située spectralement à la seconde des deux fréquences optiques, avec une seconde largeur spectrale, une seconde durée d’impulsion et une seconde valeur de puissance optique d’impulsion.According to the invention, the LIDAR system is adapted so that, during operation of this LIDAR system, it emits in a target direction in which a measurement of differential absorption and a measurement of the distance away from the background obstacle are to be produced, a radiation emission sequence which includes:
- first time intervals during which the emission of radiation is located spectrally at a first of the two optical frequencies, with a first spectral width, a first pulse duration and a first value of optical power of the pulse; And
- second time intervals during which the radiation emission is spectrally located at the second of the two optical frequencies, with a second spectral width, a second pulse duration and a second pulse optical power value.
Les premiers et seconds intervalles de temps peuvent former une succession quelconque dans la séquence d’émission de rayonnement, avec un nombre quelconque de premiers intervalles de temps entre deux seconds intervalles de temps, et vice-versa. Alternativement ou en combinaison, la séquence d’émission de rayonnement peut comprendre un nombre quelconque d’impulsions situées autour de la première fréquence optique entre deux impulsions situées autour de la seconde fréquence optique, et vice-versa.The first and second time slots can form any succession in the radiation emission sequence, with any number of first time slots between two second time slots, and vice versa. Alternatively or in combination, the radiation emission sequence may comprise any number of pulses located around the first optical frequency between two pulses located around the second optical frequency, and vice versa.
En outre, la séquence d’émission de rayonnement possède les caractéristiques suivantes :
les première et seconde largeurs spectrales sont telles que l’émission de rayonnement pendant les premiers intervalles de temps et pendant les seconds intervalles de temps corresponde à des intervalles spectraux qui sont disjoints, la première largeur spectrale étant supérieure à la seconde largeur spectrale,
la première valeur de puissance optique d’impulsion est supérieure à la seconde valeur de puissance optique d’impulsion, et
la première durée d’impulsion étant plus courte que la seconde durée d’impulsion.In addition, the radiation emission sequence has the following characteristics:
the first and second spectral widths are such that the emission of radiation during the first time intervals and during the second time intervals corresponds to spectral intervals which are disjoint, the first spectral width being greater than the second spectral width,
the first pulse optical power value is greater than the second pulse optical power value, and
the first pulse duration being shorter than the second pulse duration.
Un tel système LIDAR peut être réalisé à base de fibres optiques, et notamment son ensemble de source laser peut être du type MOPFA, pour «Master Oscillator Power Fiber Amplifier» ou amplificateur fibré de puissance d’un oscillateur maître. Pour ce type MOPFA de systèmes LIDAR, des impulsions de rayonnement qui possèdent les largeurs spectrales voulues et sont modulées selon les formes d’enveloppe voulues, et qui sont séparées entre impulsions successives, sont d’abord produites, puis ces impulsions sont amplifiées avant d’être émises vers l’extérieur.Such a LIDAR system can be made based on optical fibers, and in particular its laser source assembly can be of the MOPFA type, for "Master Oscillator Power Fiber Amplifier" or fiber power amplifier of a master oscillator. For this MOPFA type of LIDAR systems, pulses of radiation which have the desired spectral widths and are modulated according to the desired envelope shapes, and which are separated between successive pulses, are first produced, then these pulses are amplified before being transmitted. be emitted outwards.
Grâce à la première largeur spectrale qui est supérieure à la seconde largeur spectrale, la première valeur de puissance optique d’impulsion peut être choisie élevée ou très élevée sans que l’effet de diffusion Brillouin stimulée qui apparaîtrait dans des fibres optiques utilisées pour réaliser un tel système LIDAR, ne perturbe le fonctionnement ni l’utilisation de ce système.Thanks to the first spectral width which is greater than the second spectral width, the first pulse optical power value can be chosen to be high or very high without the stimulated Brillouin scattering effect which would appear in optical fibers used to produce a such LIDAR system, does not interfere with the operation or use of this system.
Pour une utilisation de mesure IPDA, l’émission de rayonnement pendant les premiers intervalles de temps est à choisir en dehors des bandes d’absorption du composé chimique qui est concerné par les mesures. Cette émission de rayonnement pendant les premiers intervalles de temps est utilisée en outre pour estimer la distance d’éloignement de l’obstacle qui est présent en arrière-plan de la zone de mesure. Cette mesure télémétrique procède par détermination du temps de vol des impulsions de rayonnement qui sont émises pendant les premiers intervalles de temps, pour le trajet d’aller-retour entre le système LIDAR et l’obstacle d’arrière-plan. Pendant ces premiers intervalles de temps, la puissance optique d’impulsion élevée, permise par la largeur spectrale supérieure, et la durée d’impulsion plus courte permettent une précision supérieure dans l’estimation de la distance d’éloignement de l’obstacle d’arrière-plan. L’émission de rayonnement pendant les seconds intervalles de temps est à choisir dans l’une des bandes d’absorption du composé chimique. Pendant les seconds intervalles de temps, la largeur spectrale inférieure des impulsions procure une précision supérieure dans l’estimation de la quantité du composé chimique. La quantité du composé chimique est estimée à partir du rapport d’absorption qui est déterminé par le système LIDAR, entre les rayonnements émis pendant les seconds intervalles de temps autour de la seconde fréquence optique et ceux émis pendant les premiers intervalles de temps autour de la première fréquence optique, et compte tenu de la valeur estimée pour la distance d’éloignement de l’obstacle d’arrière-plan.For an IPDA measurement use, the radiation emission during the first time intervals is to be chosen outside the absorption bands of the chemical compound which is concerned by the measurements. This radiation emission during the first time intervals is further used to estimate the distance away from the obstacle which is present in the background of the measurement area. This telemetric measurement proceeds by determining the time of flight of the radiation pulses which are emitted during the first time intervals, for the round trip between the LIDAR system and the background obstacle. During these first time intervals, the high pulse optical power, allowed by the higher spectral width, and the shorter pulse duration allow a higher precision in the estimation of the distance from the obstacle to the obstacle. background. The emission of radiation during the second time intervals is to be chosen from one of the absorption bands of the chemical compound. During the second time intervals, the lower spectral width of the pulses provides greater precision in estimating the quantity of the chemical compound. The quantity of the chemical compound is estimated from the absorption ratio which is determined by the LIDAR system, between the radiation emitted during the second time intervals around the second optical frequency and those emitted during the first time intervals around the first optical frequency, and taking into account the estimated value for the distance away from the background obstacle.
Préférablement, l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes peut (peuvent) être sélectionnées par le contrôleur d’émission :
- une fréquence de répétition de la séquence d’émission de rayonnement peut être comprise entre 1 kHz et 50 kHz ;
- les premiers intervalles de temps peuvent avoir une durée individuelle comprise entre 10 ns et 200 ns, de préférence entre 50 ns et 100 ns ;
- les seconds intervalles de temps peuvent avoir une durée individuelle comprise entre 0,1 µs (microseconde) et 10 µs, de préférence entre 0,5 µs et 5 µs ;
- la première largeur spectrale du rayonnement qui est émis par le système LIDAR dans la zone de mesure, pendant les premiers intervalles de temps, peut être comprise entre 100 MHz et 2000 MHz, de préférence entre 500 MHz et 1000 MHz ; et
- la seconde largeur spectrale du rayonnement qui est émis par le système LIDAR dans la zone de mesure, pendant les seconds intervalles de temps, peut être comprise entre 10 MHz et 200 MHz, de préférence entre 50 MHz et 100 MHz.Preferably, one or more of the following characteristics can be selected by the transmission controller:
- a repetition frequency of the radiation emission sequence can be between 1 kHz and 50 kHz;
- the first time intervals can have an individual duration of between 10 ns and 200 ns, preferably between 50 ns and 100 ns;
- the second time intervals can have an individual duration comprised between 0.1 μs (microsecond) and 10 μs, preferably between 0.5 μs and 5 μs;
- the first spectral width of the radiation which is emitted by the LIDAR system in the measurement zone, during the first time intervals, can be between 100 MHz and 2000 MHz, preferably between 500 MHz and 1000 MHz; And
- the second spectral width of the radiation which is emitted by the LIDAR system in the measurement zone, during the second time intervals, can be between 10 MHz and 200 MHz, preferably between 50 MHz and 100 MHz.
Enfin, l’ensemble source laser peut être adapté pour que le rayonnement qui est émis par le système LIDAR dans la zone de mesure ait des valeurs de première et seconde fréquence optique, respectivement pendant les premiers et seconds intervalles de temps, qui correspondent à des longueurs d’onde comprises entre 1,3 µm et 1,8 µm, notamment entre 1,5 µm et 1,6 µm, ou qui sont situées autour de 2 µm. De tels domaines de longueur d’onde sont adaptés notamment pour mesurer une quantité de dioxyde de carbone qui est contenue dans la zone de mesure.Finally, the laser source assembly can be adapted so that the radiation which is emitted by the LIDAR system in the measurement zone has first and second optical frequency values, respectively during the first and second time intervals, which correspond to wavelengths comprised between 1.3 μm and 1.8 μm, in particular between 1.5 μm and 1.6 μm, or which are situated around 2 μm. Such wavelength ranges are particularly suitable for measuring a quantity of carbon dioxide which is contained in the measurement zone.
En outre, le système LIDAR de l’invention comprend une voie de détection qui est adaptée pour détecter, traiter et analyser indépendamment des rayonnements rétrodiffusés qui correspondent à la première fréquence optique et à la seconde fréquence optique, et qui correspondent respectivement à des émissions pendant les premiers et seconds intervalles de temps.Furthermore, the LIDAR system of the invention comprises a detection path which is suitable for independently detecting, processing and analyzing backscattered radiation which corresponds to the first optical frequency and to the second optical frequency, and which respectively correspond to emissions during the first and second time intervals.
Possiblement, le système LIDAR peut comprendre en outre une unité de calcul qui est connectée en entrée à au moins une sortie de de la voie de détection. Cette unité de calcul est adaptée pour fournir des estimations de la distance d’éloignement de l’obstacle d’arrière-plan et de la quantité du composé chimique qui est contenue dans la zone de mesure, à partir de signaux d’analyse qui sont produits par la voie de détection.Possibly, the LIDAR system may further comprise a calculation unit which is connected as input to at least one output of the detection channel. This calculation unit is adapted to provide estimates of the distance away from the background obstacle and of the quantity of the chemical compound which is contained in the measurement zone, from analysis signals which are produced by the detection pathway.
En fonction de différents modes de réalisation qui sont possibles pour l’invention, et notamment en fonction de différents types d’oscillateurs laser qui sont utilisés dans l’ensemble source laser pour produire les rayonnements à chacune des deux fréquences optiques, la première et/ou la seconde largeur spectrale peut être intrinsèque ou produite par des moyens d’élargissement spectral dédiés. On entend par largeur spectrale intrinsèque la largeur spectrale du rayonnement tel que produit par l’oscillateur laser correspondant. Autrement dit, dans le premier cas, la largeur spectrale des impulsions qui sont émises pendant les premiers et/ou les seconds intervalles de temps correspond à la largeur spectrale de l’oscillateur laser correspondant. Dans le cas contraire, le système LIDAR comprend en outre :
- des moyens d’élargissement spectral, qui sont agencés pour modifier la largeur spectrale de l’un au moins des rayonnements produits par l’ensemble source laser.Depending on different embodiments which are possible for the invention, and in particular depending on different types of laser oscillators which are used in the laser source assembly to produce the radiation at each of the two optical frequencies, the first and/or or the second spectral width may be intrinsic or produced by dedicated spectral broadening means. By intrinsic spectral width is meant the spectral width of the radiation as produced by the corresponding laser oscillator. In other words, in the first case, the spectral width of the pulses which are emitted during the first and/or the second time intervals corresponds to the spectral width of the corresponding laser oscillator. Otherwise, the LIDAR system further includes:
- Spectral broadening means, which are arranged to modify the spectral width of at least one of the radiation produced by the laser source assembly.
Dans des premiers modes de réalisation de l’invention, le contrôleur d’émission peut être adapté pour commander l'ensemble source laser, les moyens de modulation d’intensité et, le cas échéant, et les moyens d’élargissement spectral de sorte que, dans la séquence d’émission de rayonnement, la première des deux fréquences optiques soit associée exclusivement à la première largeur spectrale, à la première durée d’impulsion et à la première valeur de puissance optique d’impulsion, à l’exclusion de la seconde largeur spectrale, de la seconde durée d’impulsion et de la seconde valeur de puissance optique d’impulsion, au sein de premières impulsions de rayonnement, et la seconde des deux fréquences optiques soit associée exclusivement à la seconde largeur spectrale, à la seconde durée d’impulsion et à la seconde valeur de puissance optique d’impulsion, à l’exclusion de la première largeur spectrale, de la première durée d’impulsion et de la première valeur de puissance optique d’impulsion, au sein de secondes impulsions de rayonnement qui sont séparées des premières impulsions.In first embodiments of the invention, the emission controller can be adapted to control the laser source assembly, the intensity modulation means and, if applicable, and the spectral broadening means so that , in the radiation emission sequence, the first of the two optical frequencies is associated exclusively with the first spectral width, the first pulse duration and the first pulse optical power value, excluding the second spectral width, the second pulse duration and the second pulse optical power value, within first radiation pulses, and the second of the two optical frequencies is associated exclusively with the second spectral width, the second pulse duration and the second pulse optical power value, excluding the first spectral width, the first pulse duration and the first pulse optical power value, a u within second pulses of radiation which are separated from the first pulses.
Pour de tels premiers modes de réalisation, le système LIDAR peut avoir un agencement selon lequel l’ensemble source laser comprend un premier oscillateur laser qui est adapté pour produire le rayonnement à la première fréquence optique, et un second oscillateur laser qui est adapté pour produire le rayonnement à la seconde fréquence optique avec la seconde largeur spectrale. Les moyens d’élargissement spectral comprennent alors un modulateur de phase qui est disposé sur un trajet du rayonnement produit par le premier oscillateur laser, et qui est commandé par le contrôleur d’émission pour procurer la première largeur spectrale à ce rayonnement produit par le premier oscillateur laser. De plus, le système LIDAR comprend en outre un commutateur optique qui est commandé par le contrôleur d’émission pour transmettre soit le rayonnement issu du modulateur de phase soit le rayonnement produit par le second oscillateur laser, à une portion aval de chemin optique d’émission qui est commune à ces rayonnements issu du modulateur de phase et produit par le second oscillateur laser, cette portion aval de chemin optique d’émission comprenant les moyens de modulation d’intensité.For such first embodiments, the LIDAR system may have an arrangement in which the laser source assembly includes a first laser oscillator which is adapted to produce the radiation at the first optical frequency, and a second laser oscillator which is adapted to produce the radiation at the second optical frequency with the second spectral width. The spectral broadening means then comprise a phase modulator which is arranged on a path of the radiation produced by the first laser oscillator, and which is controlled by the emission controller to provide the first spectral width to this radiation produced by the first laser oscillator. In addition, the LIDAR system further comprises an optical switch which is controlled by the emission controller to transmit either the radiation coming from the phase modulator or the radiation produced by the second laser oscillator, to a downstream portion of the optical path of emission which is common to these radiations originating from the phase modulator and produced by the second laser oscillator, this downstream portion of the emission optical path comprising the intensity modulation means.
Selon un autre agencement qui est aussi possible pour les premiers modes de réalisation de l’invention, l’ensemble source laser comprend de même un premier oscillateur laser qui est adapté pour produire le rayonnement à la première fréquence optique, et un second oscillateur laser qui est adapté pour produire le rayonnement à la seconde fréquence optique avec la seconde largeur spectrale. Les moyens d’élargissement spectral comprennent encore un modulateur de phase qui est disposé sur un trajet du rayonnement produit par le premier oscillateur laser, et qui est commandé par le contrôleur d’émission pour procurer la première largeur spectrale à ce rayonnement produit par le premier oscillateur laser. Mais dans cet autre agencement, les moyens de modulation d’intensité comprennent un premier modulateur d’intensité qui est disposé sur un trajet du rayonnement issu du modulateur de phase, et qui est commandé par le contrôleur d’émission pour être efficace sur ce rayonnement issu du modulateur de phase. Ils comprennent en outre un second modulateur d’intensité qui est disposé sur un trajet du rayonnement produit par le second oscillateur laser, et qui est commandé par le contrôleur d’émission pour être efficace sur ce rayonnement produit par le second oscillateur laser. Alors, le système LIDAR comprend en outre un coupleur optique adapté pour transmettre les rayonnements issus des premier et second modulateurs d’intensité à une portion aval de chemin optique d’émission qui est commune à ces rayonnements issus des premier et second modulateurs d’intensité.According to another arrangement which is also possible for the first embodiments of the invention, the laser source assembly likewise comprises a first laser oscillator which is adapted to produce the radiation at the first optical frequency, and a second laser oscillator which is adapted to produce the radiation at the second optical frequency with the second spectral width. The spectral broadening means further comprise a phase modulator which is arranged on a path of the radiation produced by the first laser oscillator, and which is controlled by the emission controller to provide the first spectral width to this radiation produced by the first laser oscillator. But in this other arrangement, the intensity modulation means comprise a first intensity modulator which is arranged on a path of the radiation coming from the phase modulator, and which is controlled by the emission controller to be effective on this radiation from the phase modulator. They further comprise a second intensity modulator which is arranged in a path of the radiation produced by the second laser oscillator, and which is controlled by the emission controller to be effective on this radiation produced by the second laser oscillator. Then, the LIDAR system further comprises an optical coupler adapted to transmit the radiation coming from the first and second intensity modulators to a downstream portion of the optical transmission path which is common to these radiation coming from the first and second intensity modulators .
Pour ces deux agencements, la portion aval de chemin optique d’émission peut comprendre un amplificateur de rayonnement optique, ou une chaîne d’amplification de rayonnement optique, qui est commandée par le contrôleur d’émission pour produire les première et seconde valeurs de puissance optique conformément aux caractéristiques de l’invention pour la séquence d’émission de rayonnement.For these two arrangements, the downstream portion of the transmit optical path may comprise an optical radiation amplifier, or an optical radiation amplifier chain, which is controlled by the transmit controller to produce the first and second power values optics in accordance with the characteristics of the invention for the radiation emission sequence.
Dans des seconds modes de réalisation de l’invention, qui sont alternatifs par rapport aux premiers modes de réalisation précédents, le contrôleur d’émission peut être adapté pour commander l'ensemble source laser, les moyens d’élargissement spectral et les moyens de modulation d’intensité de sorte que la séquence d’émission de rayonnement comprenne une succession d’impulsions de rayonnement qui sont situées spectralement soit à la première des deux fréquences optiques, soit à la seconde des deux fréquences optiques, toutes les impulsions de rayonnement ayant la même forme d’enveloppe qui comprend, pour la première fréquence optique comme pour la seconde fréquence optique, une première durée pendant laquelle l’émission de rayonnement possède la première largeur spectrale et la première valeur de puissance optique, et une seconde durée pendant laquelle l’émission de rayonnement possède la seconde largeur spectrale et la seconde valeur de puissance optique, la première durée étant plus courte que la seconde durée, et étant antérieure ou postérieure à cette seconde durée dans chaque impulsion de rayonnement.In second embodiments of the invention, which are alternative with respect to the previous first embodiments, the emission controller can be adapted to control the laser source assembly, the spectral broadening means and the modulation means of intensity so that the radiation emission sequence comprises a succession of radiation pulses which are spectrally located either at the first of the two optical frequencies, or at the second of the two optical frequencies, all the radiation pulses having the same form of envelope which comprises, for the first optical frequency as for the second optical frequency, a first duration during which the emission of radiation has the first spectral width and the first value of optical power, and a second duration during which the the radiation emission has the second spectral width and the second optical power value, the first duration being greater than c shorter than the second duration, and being earlier or later than this second duration in each radiation pulse.
De façon générale pour l’invention, le système LIDAR peut être réalisé selon une technologie de fibres optiques.Generally for the invention, the LIDAR system can be made using fiber optic technology.
De façon encore générale pour l’invention, le système LIDAR peut comprendre des moyens de polarisation adaptés pour que les rayonnements qui sont émis en direction de la zone de mesure par ce système LIDAR, aient des polarisations qui sont orthogonales, notamment des polarisations circulaires qui sont opposées, lorsque ces rayonnements sont émis pendant les premiers intervalles de temps ou les seconds intervalles de temps. Dans ce cas, la voie de détection peut comprendre un séparateur de polarisation qui est disposé pour transmettre les rayonnements rétrodiffusés, en fonction de polarisations de ces rayonnements rétrodiffusés, soit vers un premier détecteur qui est sensible dans un premier intervalle spectral incluant la première fréquence optique combinée avec la première largeur spectrale, soit vers un second détecteur qui est sensible dans un second intervalle spectral incluant à la seconde fréquence optique combinée avec la seconde largeur spectrale. Possiblement, les deux détecteurs peuvent être identiques si leur intervalle spectral de sensibilité commun inclut à la fois la première fréquence optique combinée avec la première largeur spectrale et la seconde fréquence optique combinée avec la seconde largeur spectrale.Still generally for the invention, the LIDAR system may comprise polarization means adapted so that the radiation which is emitted in the direction of the measurement zone by this LIDAR system has polarizations which are orthogonal, in particular circular polarizations which are opposite, when these radiations are emitted during the first time intervals or the second time intervals. In this case, the detection channel may comprise a polarization splitter which is arranged to transmit the backscattered radiation, depending on the polarizations of these backscattered radiation, either to a first detector which is sensitive in a first spectral interval including the first optical frequency combined with the first spectral width, or to a second detector which is sensitive in a second spectral range including the second optical frequency combined with the second spectral width. Possibly, the two detectors can be identical if their common sensitivity spectral range includes both the first optical frequency combined with the first spectral width and the second optical frequency combined with the second spectral width.
Un second aspect de l’invention propose un procédé de mesure d’une quantité d’un composé chimique qui est présente dans une direction-cible, suivant lequel :
- un système LIDAR qui est conforme au premier aspect de l’invention, est sélectionné de sorte que le composé chimique possède une valeur de pouvoir d’absorption qui est inférieure à la première fréquence optique par rapport à la seconde fréquence optique ;
- le système LIDAR est orienté selon la direction-cible pour émettre du rayonnement selon la séquence d’émission de rayonnement vers une zone de mesure qui est susceptible de contenir le composé chimique, et un fonctionnement du système LIDAR est déclenché ;
- la distance d’éloignement de l’obstacle qui est présent en arrière-plan de la zone de mesure est estimée à partir du rayonnement rétrodiffusé qui est relatif à la première fréquence optique et qui correspond à des émissions pendant les premiers intervalles de temps ; et
- la quantité du composé chimique qui est contenue dans la zone de mesure, intégrée sur le trajet des impulsions entre le système LIDAR et l’obstacle d’arrière-plan, est estimée à partir de valeurs d’intensité qui sont relatives séparément aux rayonnements rétrodiffusés à la première fréquence optique et à la seconde fréquence optique, correspondant respectivement aux premiers et seconds intervalles de temps dans la séquence d’émission de rayonnement, ces rayonnements rétrodiffusés ayant été détectés par la voie de détection du système LIDAR.A second aspect of the invention proposes a method for measuring a quantity of a chemical compound which is present in a target direction, according to which:
- a LIDAR system which is in accordance with the first aspect of the invention, is selected such that the chemical compound has an absorptive power value which is lower at the first optical frequency than at the second optical frequency;
- the LIDAR system is oriented along the target direction to emit radiation according to the radiation emission sequence towards a measurement zone which is likely to contain the chemical compound, and an operation of the LIDAR system is triggered;
- the distance away from the obstacle which is present in the background of the measurement zone is estimated from the backscattered radiation which is relative to the first optical frequency and which corresponds to emissions during the first time intervals; And
- the quantity of the chemical compound which is contained in the measurement zone, integrated on the path of the pulses between the LIDAR system and the background obstacle, is estimated from intensity values which are separately related to the radiation backscattered at the first optical frequency and at the second optical frequency, corresponding respectively to the first and second time intervals in the radiation emission sequence, these backscattered radiations having been detected by the detection path of the LIDAR system.
De préférence, la distance d’éloignement de l’obstacle qui est présent en arrière-plan de la zone de mesure peut être estimée à partir d’un temps de vol qui est mesuré pour le rayonnement rétrodiffusé relatif à la première fréquence optique. Dans ce cas, cette distance d’éloignement, telle qu’estimée à partir du rayonnement rétrodiffusé qui est relatif à la première fréquence optique, peut être utilisée pour estimer la quantité du composé chimique intégrée sur le trajet des impulsions qui est contenue dans la zone de mesure, en combinaison avec les valeurs d’intensité qui sont relatives séparément aux rayonnements rétrodiffusés et détectés à la première fréquence optique et à la seconde fréquence optique, et correspondant respectivement aux émissions pendant les premiers et seconds intervalles de temps.Preferably, the distance away from the obstacle which is present in the background of the measurement zone can be estimated from a time of flight which is measured for the backscattered radiation relating to the first optical frequency. In this case, this remoteness distance, as estimated from the backscattered radiation which is relative to the first optical frequency, can be used to estimate the quantity of the chemical compound integrated on the path of the pulses which is contained in the zone measurement, in combination with the intensity values which relate separately to the radiation backscattered and detected at the first optical frequency and at the second optical frequency, and corresponding respectively to the emissions during the first and second time intervals.
Le composé chimique qui est concerné par le procédé de mesure de l’invention peut être l’un parmi le dioxyde de carbone, ou CO2, le méthane, ou CH4, le protoxyde d’azote, ou N2O, et l’eau, ou H2O.The chemical compound which is concerned by the measurement method of the invention may be one of carbon dioxide, or CO 2 , methane, or CH 4 , nitrous oxide, or N 2 O, and the water, or H 2 O.
Enfin, différentes conditions de mise en œuvre de l’invention peuvent être les suivantes :
- pour des premières conditions de mise en œuvre, le système LIDAR peut être installé à la surface de la Terre et dirigé pour mesurer la quantité du composé chimique qui est présente entre ce système LIDAR et l’obstacle ;
- pour des deuxièmes conditions de mise en œuvre, le système LIDAR peut être embarqué à bord d’un aéronef en vol et dirigé vers une zone géographique à la surface de la Terre, pour mesurer la distance d’éloignement de la surface de la Terre dans cette zone géographique par rapport au système LIDAR, et pour mesurer la quantité du composé chimique qui est présente entre le système LIDAR et la surface de la Terre dans la même zone géographique ; et
- pour des troisièmes conditions de mise en œuvre, le système LIDAR peut être embarqué à bord d’un satellite en orbite autour de la Terre et dirigé vers une zone géographique à la surface de la Terre, pour mesurer la distance d’éloignement de la surface de la Terre dans cette zone géographique par rapport au système LIDAR, et pour mesurer la quantité du composé chimique qui est présente entre le système LIDAR et la surface de la Terre la même zone géographique.Finally, different conditions for implementing the invention may be as follows:
- For the first conditions of implementation, the LIDAR system can be installed on the surface of the Earth and directed to measure the quantity of the chemical compound which is present between this LIDAR system and the obstacle;
- for second conditions of implementation, the LIDAR system can be embarked on board an aircraft in flight and directed towards a geographical area on the surface of the Earth, to measure the distance away from the surface of the Earth in that geographic area relative to the LIDAR system, and to measure the amount of the chemical compound that is present between the LIDAR system and the Earth's surface in the same geographic area; And
- for third conditions of implementation, the LIDAR system can be embarked on board a satellite in orbit around the Earth and directed towards a geographical area on the surface of the Earth, to measure the distance away from the Earth's surface in that geographic area relative to the LIDAR system, and to measure the amount of the chemical compound that is present between the LIDAR system and the Earth's surface in the same geographic area.
Pour les deuxièmes et troisièmes conditions de mise en œuvre, la surface de la Terre dans la zone géographique vers laquelle le système LIDAR est dirigé, a la fonction d’obstacle présent en arrière-plan de la zone de mesure.For the second and third conditions of implementation, the surface of the Earth in the geographical area towards which the LIDAR system is directed, has the function of an obstacle present in the background of the measurement area.
Brève description des figuresBrief description of figures
Les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement dans la description détaillée ci-après d’exemples de réalisation non-limitatifs, en référence aux figures annexées parmi lesquelles :The characteristics and advantages of the present invention will appear more clearly in the detailed description below of non-limiting exemplary embodiments, with reference to the appended figures, among which:
Description détaillée de l’inventionDetailed description of the invention
Pour raison de clarté, les dimensions des éléments qui sont représentés dans
Dans les diagrammes de
Pour la première séquence d’émission (
Une généralisation de la seconde séquence d’impulsions peut être que chaque impulsion 1 ou 2, respectivement autour de la fréquence optique ν1ou ν2, présente un front raide de montée de puissance optique, qui est large spectralement et qui permet d’effectuer la mesure télémétrique, suivi d’une décroissance de puissance optique qui est lente et fine spectralement, adaptée pour la mesure différentielle d’absorption.A generalization of the second sequence of pulses can be that each pulse 1 or 2, respectively around the optical frequency ν 1 or ν 2 , presents a steep edge of optical power rise, which is spectrally broad and which makes it possible to carry out range measurement, followed by an optical power decrease which is slow and spectrally fine, suitable for differential absorption measurement.
Pour ces deux séquences d’émission de rayonnement, respectivement selon
la fréquence de répétition des impulsions peut être entre 1 kHz (kilohertz) et 50 kHz,
Δt1peut être entre 50 ns et 100 ns,
Δt2peut être entre 0,5 µs et 5 µs,
Δν1peut être entre 500 MHz et 1000 MHz,
Δν2peut être entre 50 MHz et 100 MHz,
P1peut être supérieure à 200 W, et
P2peut être supérieure à 50 W.
Ainsi, la durée Δt1des premiers intervalles de temps peut être plus courte que la durée Δt2des seconds intervalles de temps. En outre, la première valeur de largeur spectrale Δν1peut être supérieure à la seconde valeur de largeur spectrale Δν2, et la première valeur de puissance-crête d’émission P1peut être supérieure à la seconde valeur de puissance-crête d’émission P2. Alors, grâce à la première valeur de largeur spectrale Δν1qui est accrue, la valeur P1est répartie sur un intervalle spectral d’émission qui est plus large que celui sur lequel est répartie la valeur P2. Pour cette raison, la valeur P1peut être supérieure au seuil de diffusion Brillouin stimulée PSBSqui correspond aux fibres optiques utilisées pour réaliser le système LIDAR. De préférence, la valeur P2peut être choisie pour être inférieure ou égale à ce seuil de diffusion Brillouin stimulée, afin de limiter une perte de rendement énergétique dans la production du rayonnement à émettre pendant les seconds intervalles de temps, de durées individuelles Δt2.For these two radiation emission sequences, respectively according to
the pulse repetition frequency can be between 1 kHz (kilohertz) and 50 kHz,
Δt 1 can be between 50 ns and 100 ns,
Δt 2 can be between 0.5 µs and 5 µs,
Δν 1 can be between 500 MHz and 1000 MHz,
Δν 2 can be between 50 MHz and 100 MHz,
P 1 can be greater than 200 W, and
P 2 can be greater than 50 W.
Thus, the duration Δt 1 of the first time intervals can be shorter than the duration Δt 2 of the second time intervals. In addition, the first spectral width value Δν 1 may be greater than the second spectral width value Δν 2 , and the first transmission peak power value P 1 may be greater than the second peak power value of emission P 2 . Then, thanks to the first value of spectral width Δν 1 which is increased, the value P 1 is distributed over an emission spectral interval which is wider than that over which the value P 2 is distributed. For this reason, the value P 1 may be greater than the stimulated Brillouin scattering threshold P SBS which corresponds to the optical fibers used to produce the LIDAR system. Preferably, the value P 2 can be chosen to be less than or equal to this stimulated Brillouin scattering threshold, in order to limit a loss of energy efficiency in the production of the radiation to be emitted during the second time intervals, of individual durations Δt 2 .
On décrit maintenant plusieurs architectures de systèmes LIDAR qui sont conformes à l’invention, et qui sont conçues pour émettre des séquences de rayonnement telles que décrites ci-dessus. La description de ces architectures est limitée à l’organisation de leurs principaux composants, étant entendu que l’Homme du métier connaît de tels composants qui sont disponibles commercialement, et saura les combiner selon les architectures décrites, sans difficulté ni besoin d’activité inventive. En outre, il est entendu que des composants supplémentaires à utiliser dans ces architectures, mais qui ne sont pas reliés directement au principe de l’invention, et dont l’utilisation est courante, ne sont pas décrits par souci de clarté. Toutes ces architectures de systèmes LIDAR qui sont décrites par la suite peuvent avantageusement être mises en œuvre en utilisant des technologies de fibres optiques, ou des technologies de circuits optiques intégrés, pour la réalisation des composants optiques, électro-optiques et d’interconnexion qui sont utilisés. Dans celles des figures qui montrent des architectures de voie d’émission, la référence 50 désigne un contrôleur d’émission, qui est noté CTRL et connecté aux composants de la voie d’émission pour produire la séquence d’émission de rayonnement qui possède les caractéristiques voulues. Le mode de commande à mettre en œuvre par ce contrôleur d’émission 50 est à la portée de l’Homme du métier une fois que la séquence d’émission de rayonnement qui est à produire lui est fournie.We now describe several architectures of LIDAR systems which are in accordance with the invention, and which are designed to emit radiation sequences as described above. The description of these architectures is limited to the organization of their main components, it being understood that the person skilled in the art knows such components which are commercially available, and will know how to combine them according to the architectures described, without difficulty or need for inventive step. . Furthermore, it is understood that additional components to be used in these architectures, but which are not directly related to the principle of the invention, and whose use is common, are not described for the sake of clarity. All these LIDAR system architectures which are described below can advantageously be implemented using fiber optic technologies, or integrated optical circuit technologies, for the production of optical, electro-optical and interconnection components which are used. In those of the figures which show transmission channel architectures, the reference 50 designates a transmission controller, which is denoted CTRL and connected to the components of the transmission channel to produce the radiation transmission sequence which has the desired characteristics. The control mode to be implemented by this emission controller 50 is within the reach of those skilled in the art once the radiation emission sequence which is to be produced is provided to them.
Plusieurs architectures alternatives de systèmes LIDAR peuvent être dérivées de celle de
- si la source laser 10 est d’un type capable de produire un faisceau laser à la fréquence optique ν1directement avec la valeur de largeur spectrale Δν1, comme la source laser 20 de
- lorsque la source laser 10 est d’un type accordable, le signal électrique de commande qui est utilisé pour conférer la largeur spectrale Δν1au rayonnement qui est émis autour de la fréquence optique ν1, peut être appliqué directement à une entrée de commande de la source laser accordable 10. Un tel mode d’obtention de la largeur spectrale voulue est parfois appelé modulation de phase interne, par opposition à l’utilisation d’un modulateur de phase qui est externe à la source laser comme représenté dans
- deux modulateurs de phase externes distincts peuvent être utilisés simultanément, l’un entre la source laser 10 et le commutateur optique 30 pour procurer la largeur spectrale Δν1au rayonnement qui est émis à la fréquence optique ν1, comme dans le cas de
- un modulateur de phase unique peut être utilisé pour être effectif pour les deux rayonnements qui sont produits séparément aux fréquences optiques ν1et ν2par les sources laser 10 et 20. Dans ce cas, les faisceaux laser des deux sources laser 10 et 20 sont transmis directement aux entrées du commutateur optique 30, et le modulateur de phase unique est situé entre la sortie du commutateur optique 30 et l’entrée du modulateur d’intensité 31. Ce modulateur de phase unique peut alors être commandé de l’une des façons décrites précédemment, pour produire la largeur spectrale Δν1pendant les premiers intervalles de temps où le commutateur optique 30 transmet du rayonnement qui possède la fréquence optique ν1, et pour produire la largeur spectrale Δν2pendant les seconds intervalles de temps où le commutateur optique 30 transmet du rayonnement qui possède la fréquence optique ν2. La configuration de
- if the laser source 10 is of a type capable of producing a laser beam at the optical frequency ν 1 directly with the spectral width value Δν 1 , such as the laser source 20 of
- when the laser source 10 is of a tunable type, the electrical control signal which is used to confer the spectral width Δν 1 on the radiation which is emitted around the optical frequency ν 1 , can be applied directly to a control input of the tunable laser source 10. Such a mode of achieving the desired spectral width is sometimes referred to as internal phase modulation, as opposed to using a phase modulator which is external to the laser source as shown in
- two separate external phase modulators can be used simultaneously, one between the laser source 10 and the optical switch 30 to provide the spectral width Δν 1 to the radiation which is emitted at the optical frequency ν 1 , as in the case of
- a single phase modulator can be used to be effective for the two radiations which are produced separately at the optical frequencies ν 1 and ν 2 by the laser sources 10 and 20. In this case, the laser beams of the two laser sources 10 and 20 are transmitted directly to the inputs of the optical switch 30, and the single phase modulator is located between the output of the optical switch 30 and the input of the intensity modulator 31. This single phase modulator can then be controlled from one of the previously described ways, to produce the spectral width Δν 1 during the first time intervals where the optical switch 30 transmits radiation which has the optical frequency ν 1 , and to produce the spectral width Δν 2 during the second time intervals where the switch optical 30 transmits radiation which has the optical frequency ν 2 . The configuration of
Le mode de réalisation de
Le mode de réalisation de
Tous les modes de réalisation de
Par différence avec les modes de réalisation de
Ces modes de réalisation de
Dans le mode de réalisation de
Dans le mode de réalisation de
Les trois architectures de
Enfin,
De façon générale, le capteur optique ou l’un au moins des capteurs optiques utilisés dans la voie de détection est à délai de réaction suffisamment court pour permettre d’estimer la distance d’éloignement de l’obstacle d’arrière-plan à partir du rayonnement émis pendant les durées Δt1.In general, the optical sensor or at least one of the optical sensors used in the detection channel has a sufficiently short reaction time to make it possible to estimate the distance at which the background obstacle is moved from of the radiation emitted during the durations Δt 1 .
En outre, chaque chaîne d’analyse de la voie de détection peut être connectée en sortie à une unité de calcul (non-représentée), qui est adaptée pour fournir à partir de signaux produits par la ou les deux chaîne(s) d’analyse, des estimations de la distance d’éloignement de l’obstacle d’arrière-plan et de la quantité du composé chimique qui est présente dans la zone de mesure, intégrée sur le trajet des impulsions. Une telle unité de calcul peut éventuellement être intégrée au système LIDAR.In addition, each analysis chain of the detection path can be connected at the output to a calculation unit (not shown), which is suitable for supplying from signals produced by the or both chain(s) of analysis, estimates of the distance away from the background obstacle and of the quantity of the chemical compound which is present in the measurement zone, integrated in the path of the pulses. Such a calculation unit can optionally be integrated into the LIDAR system.
Il est entendu que l’invention peut être reproduite en modifiant des aspects secondaires des modes de réalisation qui ont été décrits en détail ci-dessus, tout en conservant certains au moins des avantages cités. Notamment, des composants optiques à fonctions équivalentes peuvent être utilisés à la place de ceux qui ont été mentionnés. En outre, les modifications suivantes sont mentionnées à titre d’exemples comme des alternatives disponibles pour l’Homme du métier sans activité inventive :
- une même source laser commutable en fréquence optique peut être utilisée pour produire les impulsions aux fréquences optiques ν1et ν2;
- des amplificateurs optiques distincts peuvent être utilisés pour les impulsions à la fréquence optique ν1et celles à la fréquence optique ν2;
- l’entrelacement des impulsions à la fréquence optique ν1avec celles à la fréquence optique ν2pour produire la séquence d’émission de rayonnement peut être effectué avant ou après l’application à chaque impulsion de la modulation de phase et/ou de la modulation d’intensité ; et
- l’entrelacement des impulsions à la fréquence optique ν1avec celles à la fréquence optique ν2pour produire la séquence d’émission de rayonnement peut être effectué avant ou après l’amplification optique des impulsions.
Enfin, toutes les valeurs numériques qui ont été citées ne l’ont été qu’à titre d’illustration, et peuvent être changées en fonction du composé chimique dont la quantité est à déterminer.
It is understood that the invention can be reproduced by modifying secondary aspects of the embodiments which have been described in detail above, while retaining at least some of the advantages cited. In particular, optical components with equivalent functions can be used instead of those which have been mentioned. In addition, the following modifications are mentioned by way of example as alternatives available to those skilled in the art without inventive step:
- the same laser source switchable in optical frequency can be used to produce the pulses at the optical frequencies ν 1 and ν 2 ;
- separate optical amplifiers can be used for the pulses at the optical frequency ν 1 and those at the optical frequency ν 2 ;
- the interleaving of the pulses at the optical frequency ν 1 with those at the optical frequency ν 2 to produce the radiation emission sequence can be carried out before or after the application to each pulse of the phase modulation and/or of intensity modulation; And
- the interleaving of the pulses at the optical frequency ν 1 with those at the optical frequency ν 2 to produce the radiation emission sequence can be carried out before or after the optical amplification of the pulses.
Finally, all the numerical values that have been cited have been cited for illustration purposes only, and can be changed depending on the chemical compound whose quantity is to be determined.
Claims (13)
- un ensemble source laser, capable de produire des rayonnements à l’une et à l’autre des deux fréquences optiques (ν1, ν2) ;
- des moyens de modulation d’intensité, adaptés pour appliquer à chaque rayonnement une forme d’enveloppe d’impulsion, y compris une durée d’impulsion et une valeur de puissance optique d’impulsion (P1, P2) ; et
- un contrôleur d’émission (50), adapté pour commander les moyens de modulation d’intensité.
le système LIDAR étant adapté de sorte que, lors d’un fonctionnement du système LIDAR, ledit système LIDAR émette dans une direction-cible selon laquelle une mesure d’absorption différentielle et une mesure de la distance d’éloignement de l’obstacle d’arrière-plan sont à réaliser, une séquence d’émission de rayonnement qui comprend :
- des premiers intervalles de temps pendant lesquels l’émission de rayonnement est située spectralement à une première (ν1) des deux fréquences optiques, avec une première largeur spectrale (Δν1), une première durée d’impulsion (Δt1) et une première valeur de puissance optique d’impulsion (P1) ; et
- des seconds intervalles de temps pendant lesquels l’émission de rayonnement est située spectralement à une seconde (ν2) des deux fréquences optiques, avec une seconde largeur spectrale (Δν2), une seconde durée d’impulsion (Δt2) et une seconde valeur de puissance optique d’impulsion (P2),
les première (Δν1) et seconde (Δν2) largeurs spectrales étant telles que l’émission de rayonnement pendant les premiers intervalles de temps et pendant les seconds intervalles de temps corresponde à des intervalles spectraux qui sont disjoints, la première largeur spectrale étant supérieure à la seconde largeur spectrale,
la première valeur de puissance optique d’impulsion (P1) est supérieure à la seconde valeur de puissance optique d’impulsion (P2), et
la première durée d’impulsion (Δt1) étant plus courte que la seconde durée d’impulsion (Δt2),
le système LIDAR comprenant en outre une voie de détection qui est adaptée pour détecter, traiter et analyser indépendamment des rayonnements rétrodiffusés qui correspondent à la première fréquence optique (ν1) et à la seconde fréquence optique (ν2), et qui correspondent respectivement à des émissions pendant les premiers et seconds intervalles de temps.LIDAR system, suitable for carrying out differential absorption measurements between two distinct optical frequencies (ν 1 , ν 2 ), and distance measurements of an obstacle which is present in the background of a measurement zone where absorption occurs, the LIDAR system comprising:
- A laser source assembly, capable of producing radiation at either of the two optical frequencies (ν 1 , ν 2 );
- Intensity modulation means, adapted to apply to each radiation a form of pulse envelope, including a pulse duration and a pulse optical power value (P 1 , P 2 ); And
- a transmission controller (50), suitable for controlling the intensity modulation means.
the LIDAR system being adapted so that, during operation of the LIDAR system, said LIDAR system emits in a target direction in which a measurement of differential absorption and a measurement of the distance away from the obstacle of background are to be produced, a radiation emission sequence which includes:
- first time intervals during which the radiation emission is located spectrally at a first (ν 1 ) of the two optical frequencies, with a first spectral width (Δν 1 ), a first pulse duration (Δt 1 ) and a first pulse optical power value (P 1 ); And
- second time intervals during which the emission of radiation is located spectrally at one second (ν 2 ) from the two optical frequencies, with a second spectral width (Δν 2 ), a second pulse duration (Δt 2 ) and a second pulse optical power value (P 2 ),
the first (Δν 1 ) and second (Δν 2 ) spectral widths being such that the emission of radiation during the first time intervals and during the second time intervals correspond to spectral intervals which are disjoint, the first spectral width being greater at the second spectral width,
the first pulse optical power value (P 1 ) is greater than the second pulse optical power value (P 2 ), and
the first pulse duration (Δt 1 ) being shorter than the second pulse duration (Δt 2 ),
the LIDAR system further comprising a detection channel which is adapted to independently detect, process and analyze backscattered radiation which corresponds to the first optical frequency (ν 1 ) and to the second optical frequency (ν 2 ), and which respectively correspond to transmissions during the first and second time intervals.
- des moyens d’élargissement spectral, agencés pour modifier une largeur spectrale de l’un au moins des rayonnements produits par l’ensemble source laser (10, 20).A LIDAR system according to claim 1, further comprising:
- spectral broadening means, arranged to modify a spectral width of at least one of the radiation produced by the laser source assembly (10, 20).
l’ensemble source laser comprend un premier oscillateur laser (10) qui est adapté pour produire le rayonnement à la première fréquence optique (ν1), et un second oscillateur laser (20) qui est adapté pour produire le rayonnement à la seconde fréquence optique (ν2) avec la seconde largeur spectrale (Δν2),
les moyens d’élargissement spectral comprennent un modulateur de phase (11) qui est disposé sur un trajet du rayonnement produit par le premier oscillateur laser (10), et qui est commandé par le contrôleur d’émission (50) pour procurer la première largeur spectrale (Δν1) audit rayonnement laser produit par le premier oscillateur laser ; et
le système LIDAR comprend en outre un commutateur optique (30) qui est commandé par le contrôleur d’émission (50) pour transmettre soit le rayonnement issu du modulateur de phase (11) soit le rayonnement produit par le second oscillateur laser (20), à une portion aval de chemin optique d’émission qui est commune auxdits rayonnements issu du modulateur de phase et produit par le second oscillateur laser, ladite portion aval de chemin optique d’émission comprenant les moyens de modulation d’intensité (31).LIDAR system according to claims 2 and 3, wherein
the laser source assembly includes a first laser oscillator (10) which is adapted to produce the radiation at the first optical frequency (ν 1 ), and a second laser oscillator (20) which is adapted to produce the radiation at the second optical frequency (ν 2 ) with the second spectral width (Δν 2 ),
the spectral broadening means comprises a phase modulator (11) which is disposed in a path of the radiation produced by the first laser oscillator (10), and which is controlled by the emission controller (50) to provide the first width spectral (Δν 1 ) to said laser radiation produced by the first laser oscillator; And
the LIDAR system further comprises an optical switch (30) which is controlled by the emission controller (50) to transmit either the radiation coming from the phase modulator (11) or the radiation produced by the second laser oscillator (20), to a downstream portion of the optical transmission path which is common to the said radiation coming from the phase modulator and produced by the second laser oscillator, the said downstream portion of the optical transmission path comprising the intensity modulation means (31).
l’ensemble source laser comprend un premier oscillateur laser (10) qui est adapté pour produire le rayonnement à la première fréquence optique (ν1), et un second oscillateur laser (20) qui est adapté pour produire le rayonnement à la seconde fréquence optique (ν2) avec la seconde largeur spectrale (Δν2),
les moyens d’élargissement spectral comprennent un modulateur de phase (11) qui est disposé sur un trajet du rayonnement produit par le premier oscillateur laser (10), et qui est commandé par le contrôleur d’émission (50) pour procurer la première largeur spectrale (Δν1) audit rayonnement produit par le premier oscillateur laser,
les moyens de modulation d’intensité comprennent un premier modulateur d’intensité (12) qui est disposé sur un trajet du rayonnement issu du modulateur de phase (11), et qui est commandé par le contrôleur d’émission (50) pour être efficace sur ledit rayonnement issu du modulateur de phase, et comprennent un second modulateur d’intensité (22) qui est disposé sur un trajet du rayonnement produit par le second oscillateur laser (20), et qui est commandé par le contrôleur d’émission pour être efficace sur ledit rayonnement produit par le second oscillateur laser,
et le système LIDAR comprend en outre un coupleur optique (35) adapté pour transmettre les rayonnements issus des premier (12) et second (22) modulateurs d’intensité à une portion aval de chemin optique d’émission qui est commune auxdits rayonnements issus des premier et second modulateurs d’intensité.LIDAR system according to claims 2 and 3, wherein
the laser source assembly includes a first laser oscillator (10) which is adapted to produce the radiation at the first optical frequency (ν 1 ), and a second laser oscillator (20) which is adapted to produce the radiation at the second optical frequency (ν 2 ) with the second spectral width (Δν 2 ),
the spectral broadening means comprises a phase modulator (11) which is disposed in a path of the radiation produced by the first laser oscillator (10), and which is controlled by the emission controller (50) to provide the first width spectral (Δν 1 ) to said radiation produced by the first laser oscillator,
the intensity modulation means comprises a first intensity modulator (12) which is arranged in a path of the radiation coming from the phase modulator (11), and which is controlled by the transmission controller (50) to be effective on said radiation from the phase modulator, and include a second intensity modulator (22) which is disposed in a path of the radiation produced by the second laser oscillator (20), and which is controlled by the emission controller to be effective on said radiation produced by the second laser oscillator,
and the LIDAR system further comprises an optical coupler (35) adapted to transmit the radiation originating from the first (12) and second (22) intensity modulators to a downstream portion of the transmission optical path which is common to the said radiation originating from the first and second intensity modulators.
et la voie de détection comprend un séparateur de polarisation (46) qui est disposé pour transmettre les rayonnements rétrodiffusés, en fonction de polarisations desdits rayonnements rétrodiffusés, soit vers un premier détecteur (41) qui est sensible dans un premier intervalle spectral incluant la première fréquence optique (ν1) combinée avec la première largeur spectrale (Δν1), soit vers un second détecteur (42) qui est sensible dans un second intervalle spectral incluant la seconde fréquence optique (ν2) combinée avec la seconde largeur spectrale (Δν2).LIDAR system according to any one of the preceding claims, comprising polarization means (35) adapted so that the radiation which is emitted in the direction of the measurement zone by the said LIDAR system has polarizations which are orthogonal, in particular circular polarizations which are opposite, when said radiations are emitted during the first time intervals or the second time intervals,
and the detection path comprises a polarization splitter (46) which is arranged to transmit the backscattered radiation, as a function of polarizations of said backscattered radiation, either to a first detector (41) which is sensitive in a first spectral interval including the first frequency optical (ν 1 ) combined with the first spectral width (Δν 1 ), or towards a second detector (42) which is sensitive in a second spectral interval including the second optical frequency (ν 2 ) combined with the second spectral width (Δν 2 ).
- un système LIDAR qui est conforme à l’une quelconque des revendications précédentes, est sélectionné de sorte que le composé chimique possède une valeur de pouvoir d’absorption qui est inférieure à la première fréquence optique (ν1) par rapport à la seconde fréquence optique (ν2) ;
- le système LIDAR est orienté selon la direction-cible pour émettre du rayonnement selon la séquence d’émission de rayonnement vers une zone de mesure qui est susceptible de contenir le composé chimique, et un fonctionnement du système LIDAR est déclenché ;
- la distance d’éloignement de l’obstacle qui est présent en arrière-plan de la zone de mesure est estimée à partir du rayonnement rétrodiffusé qui est relatif à la première fréquence optique (ν1) et qui correspond à des émissions pendant les premiers intervalles de temps ; et
- la quantité du composé chimique qui est contenue dans la zone de mesure, intégrée sur un trajet des impulsions entre le système LIDAR et l’obstacle d’arrière-plan, est estimée à partir de valeurs d’intensité qui sont relatives séparément aux rayonnements rétrodiffusés à la première fréquence optique (ν1) et à la seconde fréquence optique (ν2), correspondant respectivement aux premiers et seconds intervalles de temps dans la séquence d’émission de rayonnement, lesdits rayonnements rétrodiffusés ayant été détectés par la voie de détection du système LIDAR.A method of measuring a quantity of a chemical compound which is present in a target direction, according to which:
- a LIDAR system which is in accordance with any one of the preceding claims, is selected such that the chemical compound has an absorptive power value which is lower at the first optical frequency (ν 1 ) than at the second frequency optical (ν 2 );
- the LIDAR system is oriented along the target direction to emit radiation according to the radiation emission sequence towards a measurement zone which is likely to contain the chemical compound, and an operation of the LIDAR system is triggered;
- the distance away from the obstacle which is present in the background of the measurement zone is estimated from the backscattered radiation which is relative to the first optical frequency (ν 1 ) and which corresponds to emissions during the first time intervals; And
- the quantity of the chemical compound which is contained in the measurement zone, integrated on a path of the pulses between the LIDAR system and the background obstacle, is estimated from intensity values which are separately related to the radiation backscattered at the first optical frequency (ν 1 ) and at the second optical frequency (ν 2 ), corresponding respectively to the first and second time intervals in the radiation emission sequence, said backscattered radiation having been detected by the detection channel of the LIDAR system.
ou le système LIDAR est embarqué à bord d’un aéronef en vol et dirigé vers une zone géographique à la surface de la Terre, pour mesurer la distance d’éloignement de la surface de la Terre dans ladite zone géographique par rapport au système LIDAR, et pour mesurer la quantité du composé chimique qui est présente entre ledit système LIDAR et la surface de la Terre dans ladite zone géographique,
ou le système LIDAR est embarqué à bord d’un satellite en orbite autour de la Terre et dirigé vers une zone géographique à la surface de la Terre, pour mesurer la distance d’éloignement de la surface de la Terre dans ladite zone géographique par rapport au système LIDAR, et pour mesurer la quantité du composé chimique qui est présente entre ledit système LIDAR et la surface de la Terre ladite zone géographique.A method according to any one of claims 9 to 12, wherein the LIDAR system is installed on the Earth's surface and directed to measure the amount of chemical compound which is present between said LIDAR system and the obstacle,
or the LIDAR system is on board an aircraft in flight and directed towards a geographical area on the surface of the Earth, to measure the distance of the distance from the surface of the Earth in said geographical area with respect to the LIDAR system, and to measure the amount of the chemical compound that is present between said LIDAR system and the Earth's surface in said geographical area,
or the LIDAR system is on board a satellite in orbit around the Earth and directed towards a geographical area on the surface of the Earth, to measure the distance of the distance from the surface of the Earth in said geographical area with respect to to the LIDAR system, and to measure the quantity of the chemical compound which is present between said LIDAR system and the surface of the Earth in said geographical area.
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